第08.126机器人的感觉系统(3)

1、机器人应用技术机器人应用技术大连职业技术学院董春利 QQ：958385645实训楼414ACompiled by: Dong Chunli复习复习1. 1.机器人需要的最重要的感觉能力可分为几类机器人需要的最重要的感觉能力可分为几类? ?2. 2.机器人对传感器的一般要求有哪些？机器人对传感器的一般要求有哪些？3. 3.机器人控制对传感器的要求有哪些？机器人控制对传感器的要求有哪些？4. 4.机器人安全方面对传感器的要求有哪些？机器人安全方面对传感器的要求有哪些？ 5. 5.传感器的评价和选择包括哪些？传感器的评价和选择包括哪些？ 6. 6.传感器的常用性能指标有哪些？传感器的常用性能指标有哪

2、些？7. 7.传感器的选择有哪几个考虑因素？传感器的选择有哪几个考虑因素？ Compiled by: Dong Chunli复习复习1. 1.距离传感器的主要测量原理有哪些？距离传感器的主要测量原理有哪些？2. 2.超声波距离传感器的检测方式有哪两种？超声波距离传感器的检测方式有哪两种？3. 3.脉冲回波式测量原理脉冲回波式测量原理4. 4.频率调制连续波式测量原理频率调制连续波式测量原理5. 5.什么是接近觉传感器？什么是接近觉传感器？6. 6.接近觉传感器有哪些实现方法？接近觉传感器有哪些实现方法？7. 7.接近觉传感器用途有哪些？接近觉传感器用途有哪些？8. 8.常见的接近觉传感器有哪些

3、？常见的接近觉传感器有哪些？9. 9.什么是听觉传感器？什么是听觉传感器？10.10.听觉传感器用途有哪些？听觉传感器用途有哪些？11.11.听觉传感器最重要的部分是什么？听觉传感器最重要的部分是什么？机器人应用技术机器人应用技术第六章第六章 机器人的感觉系统机器人的感觉系统 第一节 机器人传感技术 第二节 机器人内部传感器 第三节 机器人外部传感器第四节 机器人的视觉系统第五节 机器人传感器的选择Compiled by: Dong Chunli一、概一、概 述述o每个人都能体会到，眼睛对人来说是多么重要。o可以说人类从外界获得的信息，大多数都是由眼睛得到的。n人类视觉细胞的数量大约在 数量级

4、，n是听觉细胞的3000多倍，n是皮肤感觉细胞的100多倍。n从这个角度来说，也可以看出视觉系统的重要性。o至于视觉的应用范围，简直可以说是包罗万象。108Compiled by: Dong Chunlio智能机器人为了具有人的一部分智能n就必须了解周围的环境，n获取机器人周围世界的信息，o人们为了从外界环境获取信息，n一般是通过视觉、触觉、听觉等感觉器官来进行的，o也就是说如果想要赋予机器人较为高级的智能，n那么离开视觉系统是无法做到的。一、概一、概 述述Compiled by: Dong Chunlio对于智能机器人来说，视觉系统是必不可少的。o从20世纪60年代开始，n人们便着手研究机器

5、人的视觉系统。n一开始只能识别平面上的类似积木的物体。o到了20世纪70年代，n已经可以认识某些加工部件，n也能认识室内的桌子、电话等物品了。n当时的研究工作虽然进展很快，但无法应用于实际。o这是因为视觉系统的信息量极大，处理这些信息的硬件系统十分庞大，花费的时间也很长。 一、概一、概 述述Compiled by: Dong Chunlio随着大规模集成技术的发展，n计算机内存的体积不断缩小，n价格急剧下降，n速度不断提高，n视觉系统也走向了实用化。o进入20世纪80年代后，n由于微机的飞速发展，n实用的视觉系统已经进入各个领域，n其中用于机器人的视觉系统数量是很多的。 一、概一、概 述述Co

6、mpiled by: Dong Chunlio人的视觉通常是n 识别环境对象的位置坐标，n 物体之间的相对位置，n 物体的形状颜色等，o由于人们生活在一个三维的空间里，n 所以机器人的视觉也必须能够理解三维空间的信息，o机器人的视觉与文字识别或图像识别是有区别的，n 它们的区别在于机器人视觉系统需要处理三维图像，n 不仅需要了解物体的大小、形状，n 还要知道物体之间的关系。一、概一、概 述述Compiled by: Dong Chunlio为了实现这个目标，要克服很多困难。n 因为视觉传感器只能得到二维图像，n 从不同角度上来看同一物体，就会得到不同的图像。n 光源位置不同，得到的图像明暗程度

7、与分布情况也不同：n 实际的物体虽然互不重叠，但是从某一个角度上看，却能得到重叠的图像。o为了解决这个问题，n 人们采取了很多的措施，并在不断地研究新方法一、概一、概 述述Compiled by: Dong Chunlio为了减轻视觉系统的负担，n人们总是尽可能地改善外部环境条件，n对视角、照明、物体的放置方式作出某种限制。o但更重要的还是n加强视觉系统本身的功能和n使用较好的信息处理方法一、一、 概概 述述Compiled by: Dong Chunli1. 机器人视觉系统的硬件组成（1）景物和距离传感器n 常用的有摄像机n CCD图像传感器n 超声波传感器n 结构光设备（2）视频信号数字化

8、设备n 其任务是把摄像机或CCD输出的信号转换成n 方便计算和分析的数字信号。（3）视频信号快速处理器n 视频信号实时、快速、并行算法的硬件实现没备 n 如DSP系统。（4）计算机及其外设。n 根据系统的需要可以选用不同的计算机及其外设来满足n 机器人视觉信息处理及机器人控制的需要 （5）机器人及其控制器二、机器人的视觉系统的组成二、机器人的视觉系统的组成二、机器人的视觉系统的组成二、机器人的视觉系统的组成Compiled by: Dong ChunliCompiled by: Dong Chunli2. 机器人视觉的软件系统组成（1）计算机系统软件n选用不同类型的计算机，n就有不同的操作系统

9、和n它所支撑的各种语言、数据库等。（2）机器人视觉信息处理算法n图像预处理、分割、描述、识别和解释等算法。（3）机器人控制软件二、机器人的视觉系统的组成二、机器人的视觉系统的组成Compiled by: Dong Chunli五、机器人传感器的选择要求五、机器人传感器的选择要求1、机器人对传感器的要求 2、传感器的评价和选择 Compiled by: Dong Chunlio 传感器的评价和选择包括两个方面。o 一方面是不同类型传感器的评价和选择，如：n结构型传感器和物理型传感器之间的选择、n接触型传感器和非接触型传感器之间的选择；n位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、力矩传感器、

10、触觉传感器（又分简单触觉传感器和复合触觉传感器）、接近觉传感器等的选择。o 它主要取决于机器人的工作需要，n同时又要考虑不同类型传感器的特点。二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择 Compiled by: Dong Chunlio 传感器的评价和选择包括两个方面。o 另一方面是对某种传感器性能的评价和选择，包括n对传感器的灵敏度、线性度、n工作范围、分辨率、精度、n响应时间、重要性、可靠性以及重量、体积、n可插接性o 等传感器参数指标的评价和选择。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择 Compiled by: Dong Chunli1. 传感器的评价 o 结构型传感器和物理型

11、传感器 o 利用运动定律、电磁定律以及气体压力、体积、温度等物理量间的关系制成的传感器都属于结构型传感器。n这种传感器的特点是传感器原理明确，n不易受环境影响，n且传感器的性能受其结构材料的影响不大，n但是结构比较复杂。o 常用的结构型传感器有n电子开关、电容式传感器、电感式传感器、测速码盘等。二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择 Compiled by: Dong Chunli1. 传感器的评价 o 结构型传感器和物理型传感器 o 物理型传感器是利用物质本身的某种客观性质制成的传感器。o 这类传感器的性能受材料性质和使用环境的影响较大。n物理型传感器的优点是结构简单，灵敏度高。o 机

12、器人常用的物理型传感器n光电传感器、压电传感器、压阻传感器、电阻应变传感器 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择 Compiled by: Dong Chunli二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择o 接触型传感器和非接触型传感器 o 接触型传感器在正常工作时需要和被检测对象接触n如开关、探针和触点等。o 非接触型传感器则必须离被检测对象一段距离，通过某种中间传递介质进行工作。n磁场、光波、声波、红外线、X射线等是常见的中间传递介质。 Compiled by: Dong Chunlio 接触型传感器主要是被测量对象的机械运动量转变成为电量输出o 在实际使用中，经常需要n把这些输

13、出电量转换成为电子计算机所要求的数字信号，n然后输入电子计算机进行分析计算，n实现对机器人的感觉反馈控制。o 接触型传感器常见的工作方式n有电子开关的关闭、n电位计触点的移动、n压电材料的电压变化、n压阻材料的电阻变化等。o 接触型传感器工作比较稳定可靠，受周围环境的干扰较小。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择o 对电磁信号或声波信号进行检测是非接触型传感器的主要工作方式。n磁场、电场、可见光、红外线、紫外线和X射线都属于电磁现象，n通过检测这些电磁波的存在状态及其变化情况来就是非接触型传感

14、器工作的根本原理。o 声波传感器则是靠发射某种频率的声波信号，n检测周围物体的反射回波和声波的传播时间来获得某种感觉能力 。o 由于非接触传感器不和被测物体接触，n所以它不会影响被测物体的状态，这是非接触型传感器的主要优点。 Compiled by: Dong Chunli2传感器的常用性能指标 o 在选择机器人传感器的时候，最重要的是n确定机器人需要传感器做些什么事情，达到什么样的性能要求。n根据机器人对传感器的工作类型要求，选择传感器的类型。n根据这些工作要求和机器人需要某种传感器达到的性能要求，选择具体的传感器。n同时还要根据具体的传感器性能参数来选择，o 下面就介绍一下传感器的常用参数

15、。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli1） 灵敏度 o 指传感器的输出信号达到稳态时，输出信号变化与传感器输入信号变化的比值。o 假如传感器的输出和输入呈线性关系，其灵敏度可表示为 o 式中，S为传感器的灵敏度；y为传感器输出信号的增量，x为输入信号的增量。 Syx /二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunlio 假如传感器的输出和输入呈曲线关系，其灵敏度就是该曲线的导数，即 S=dy/dx （618） o 传感器输出的量纲和输入的量纲不一定相同。o 若输出和输入具有相同的量纲，则传感器

16、的灵敏度也称为放大倍数。二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunlio 一般来说，传感器的灵敏度越大越好，这样可以使传感器的输出信号精确度更高，线性程度更好。o 但是，过高的灵敏度有时会导致传感器输出的稳定性下降，o 所以应该根据机器人的要求选择适中的传感器灵敏度。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli2）线性度 o 是衡量传感器的输出信号和输入信号之比值是否保持为常数的指标。o 假设传感器的输出信号为y，输入信号为x，y和x之间的关系为 y=bx n如果b是一个常数，或者接近于一个常数，则

17、传感器的线性度较高；n如果b是一个变化较大的量，则传感器的线性度较差。o 机器人控制系统应该采用线性度较高的传感器。二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunlio实际上，只有在少数理想情况下，传感器的输出和输入才呈直线关系。o大多数情况下，b都是x的函数，即 o如果传感器的输入量变化不大，且都远小于，那么可以取，近似地把传感器的输出和输入关系看成线性关系。o这种使传感器的输出输入关系近似关系的过程称为传感器的线性化，它对于机器人控制方案的简化具有重要的意义。o常用的线性化方法有割线法、最小二乘法、最小误差法等。bf xaa xa x( )0122

18、二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli3）测量范围o 指传感器被测量的最大允许值和最小允许值之差。一般要求传感器的o 测量范围必须覆盖机器人有关被测量的工作范围。n如果无法达到这一要求，可以设法选用某种转换装置。n但是，这样会引入某种误差，传感器的测量精度将受到一定影响。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli 4）精度 o 指传感器的测量输出值与实际被测值之间的误差。n应该根据机器人的工作精度要求，选择合适的传感器精度。n假如传感器的精度不能满足检测机器人工作精度的要求，机器人则不可能

19、完成预定的工作任务。n但是如果对传感器的精度要求过高，不但制造比较困难，而且成本也较高。o 应注意传感器精度的适用条件和测试方法。n所谓适用条件应当包括机器人所有可能的工作条件，例如不同温度、湿度、不同的运动速度、加速度以及在可能范围内的各种负载作用等。n用于检测传感器精度的测试仪器必须具有高一级的精度，精度的测试也要考虑到最坏的工作条件。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli 5）重复性 o指传感器在其输入信号按同一方向进行全量程连续多次测量时，相应测试结果的变化程度。n测试结果的变化越小，传感器的测量误差就越小，重复性越好。o对于多数

20、传感器来说，重复性指标都优于精度指标。n这些传感器的精度不一定很高，n但是只要它的温度、湿度、受力条件和其他使用参数不变，传感器的测量结果也没有多大变化。o同样，传感器重复性也应当考虑适用条件和测试方法的问题。o对于示教再现型机器人，n传感器的重复性是至关重要性的，它直接关系到机器人能否准确地再现其示教轨迹。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli 6）分辨率 o 指传感器在整个测量范围内所能辨别的被测量的最小变化量，或者所能辨别的不同被测量的个数。n如果它辨别的被测量最小变化量越小，或被测量个数越多，则它的分辨率越高；n反之，分辨率越低。

21、o 无论是示教再现型机器人，还是可编程型机器人，都对传感器的分辨率有一定的要求。n传感器的分辨率直接影响到机器人的可控程度和控制质量。n一般需要根据机器人的工作任务规定传感器分辨率的最低限度要求二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择 7）响应时间o 是一个动态特性指标，o 指传感器的输入信号变化以后，其输出信号变化到一个稳态值所需要的时间。n在某些传感器中，输出信号在到达某一稳定值以前会发生短时间的振荡。n传感器输出信号的振荡，对于机器人的控制来说是非常不利的，它有时会造成一个虚设位置，影响机器人

22、的控制精度和工作精度。n所以总是希望传感器的响应时间越短越好。o 响应时间的计算应当以输入信号开始变化的时刻为始点，以输出信号达到稳态值的时刻为终点。Compiled by: Dong Chunlio 事实上，还需要规定一个稳定值范围，n只要输出信号的变化不再超出该范围，即可认为它已经达到了稳态值。n若输出信号的变化不再超出该范围，即可认为它已经达到了稳态值。o 对于具体的机器人传感器应规定响应时间的允许上限。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Compiled by: Dong Chunli二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择8）可靠性o 对于所有机器人来说，可靠性都是十分

23、重要的。在工业应用领域，人们要求在98%99%的工作时间里，机器人系统都能够正常工作。n由于一个复杂的机器人系统通常是由上百个元件组成的，每个元件的可靠性要求就应当更高。n必须对机器人传感器进行例行试验和老化筛选，凡是不能经受工作环境考验的传感器都必须尽早剔除，o 否则将给机器人可靠的工作留下隐患。o 可靠性的要求还应当考虑维修的难易程度，n对于安装在机器人内部不易更换的传感器，应当提出更高的可靠性要求。 Compiled by: Dong Chunli二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择3. 传感器的选择 1）尺寸和重量 o 这是机器人传感器的重要物理参数。n机器人传感器通常需要装在

24、机器人手臂上或手腕上，n机器人手臂一起运动，n它也是机器人手臂驱动器负载的一部分。o 所以，它的尺寸和重量将直接影响到机器人的运动性能和工作性能。 Compiled by: Dong Chunli2）输出型式 o 传感器的输出n可以是某种机械运动，n也可以是电压和电流，n还可以是压力、液面高度或量度等等。o 传感器的输出型式一般是由传感器本身的工作原理所决定的。n由于目前机器人的控制大多是由计算机完成的，n传感器的输出信号通过计算机分析处理，n一般希望传感器的输出最好是计算机可以直接接受的数字式电压信号，n所以应该优先选用这一输出型式的传感器。 二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择Co

25、mpiled by: Dong Chunli二、传感器的评价和选择二、传感器的评价和选择3）可插接性o 传感器的可插接能力不但影响传感器使用的方便程度，而且影响到机器人结构的复杂程度。o 如果传感器没有通用外插口，或者需要采用特殊的电压或电流供电，o 在使用时不可避免地需要增加一些辅助性设备和工件，机器人系统的成本也会因此而提高。o 另外，传感器输出信号的大小和型式也应当尽可能地和其他相邻设备的要求相匹配。 Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理o视觉信息通过视觉传感器转换成电信号；n 在空间采样和幅值化后，这些信号就形成了多幅数字图像o机器人视觉使用的主

26、要部件是电视摄像机，n 它由摄像管或固态成像传感器及相应的电子线路组成。o这里我们只介绍光导摄像管的工作原理，n 因为它是普遍使用的并有代表的一种摄像管。o固态成像传感器的关键部分有两种类型，n 一种是电荷耦合器件(CCD)；n 一种是电荷注入器件(CID)。o与具有摄像管的摄像机相比，n 固态成像器件有若干优点，n 它重量轻、体积小、寿命长、功耗低。n 不过，某些摄像管的分辨率仍比固态摄像机高。 Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理o由图可以看出，n 光导摄像管外面是一圆柱形玻璃外壳，n 内部有位于一端的电子枪以及位于另一端的屏幕和靶。n 加在线圈上的

27、电压将电子束聚焦并使其偏转。n 偏转电路驱使电子束对靶的内表面扫描以便“读取”图像，n 玻璃屏幕的内表面镀有一层透明的金属薄膜，n 它构成一个电极，视频电信号可从此电极上获得。Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理o一层很薄的光敏“靶”附着在金属膜上，o它是一层由一些极小的球状体组成，球状体的电阻反比于光的强度。o在光敏靶的后面有一个带正电荷的细金属网，o它使电子枪发射出的电子减速，以接近于零的速度到达靶面；o在正常工作时，将正电压加在屏幕的金属镀膜上。o在无光照时，光敏材料呈现绝缘体特性，o电子束在靶的内表面上形成一个电子层以平衡金属膜上的正电荷。o当电

28、子束扫描靶内表面时，光敏层就成了一个电容器，o且内表面具有负电荷，而另一面具有正电荷。o光投射到靶层，它的电阻降低，使得电子向正电荷方向流动并与之中和。Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理o由于流动的电子电荷的数量正比于投射到靶的某个局部区域上的光的强度，o因此其效果是在靶表面上形成一幅图像，o该图像与摄像管屏幕上的图像亮度相同。也就是说，o电子电荷的剩余浓度在暗区较高，而在亮区较低。o电子束再次扫描靶表面时，失上的电荷得到补充，o这样就会在金属层内形成电流，并可从一个管脚上引出此电流。o电流正比于扫描时补充的电子数，因此也正比于电子束扫描处的光强度。o

29、经摄像机电子线路放大后，电子束扫描运动时所得到的变化电流o便形成了一个正比于输入图像强度的视频信号 。Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理o图7-1b所示为美国使用的基本扫描标准；（N制式）o电子束以每秒30次的频率扫描靶的整个表面，每次完整的扫描称为一帧，o它包含525行，其中的480行含有图像信息。o若依次对每行扫描并将形成的图像显示在监视器上，图像将是抖动的。o克服这种现像的办法是使用另一种扫描方式，o即将一帧图像分成两个隔行场，每场包含2625行，o并且以二倍帧扫描频率进行扫描，每秒扫描60行。o每帧的第一场扫描奇数行(如图7-la中虚线所示)，

30、第二场扫描偶数行：o中国使用的基本扫描标准 每秒25次，一帧625行，有效行576行。o隔行扫描时，倍频为50Hz，每场312.5行（PAL 制式）Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理o还有一种可以获得更高行扫描速率的标准扫描方式，o其工作原理与前一种基本相同。o例如在计算机视觉和数字图像处理中常用的一种扫描方式是o每帧包含559行，其中512行含有图像数据。o行数取为2的整数幂，优点是软件和硬件容易实现。o比如：512，1024等。 Compiled by: Dong Chunli二、二、CCDCCD原理原理光导摄像管工作原理(a)光导摄像管示意图；(

31、b)电子束扫描方式 Compiled by: Dong ChunliCCD传感器(a)CCD行扫描传感器；(b)CCD面阵传感器 二、二、CCDCCD原理原理o讨论CCD器件时，通常将传感器分为两类：o行扫描传感器和面阵传感器。o行扫描CCD传感器的基本元件o是一行硅成像元素，称为光检测器。Compiled by: Dong Chunlio光子通过透明的多晶硅门由硅晶体吸收o产生电子一空穴对，产生的光电子集中在光检测器中，o汇集在每个光检测器中电荷的数量正比于那个位置的照明度。o图所示为一典型的行扫描传感器，它由一行前面所说的成像元素组成。o两个传送门按一定的时序将各成像元素的内容送往各自的移

32、位寄存器。o输出门用来将移位寄存器的内容按一定的时序关系送往放大器，o放大器的输出是与这一行光检测器中内容成正比的电压信号。 二、二、CCDCCD原理原理Compiled by: Dong Chunlio电荷耦合面阵传感器与行扫描传感器相似，o不同之处在于面阵传感器的光检测是按矩阵形式排列的，o且在两列光检测器之间有一个逻辑门与移位寄存器组合，见图7-2b。o奇数光检测器的数据依次通过门进入垂直移位寄存器，o然后再送入水平移位寄存器。o水平移位寄存器的内容加到放大器上，放大器的输出即为一行视频信号。o对于各偶数行重复上述过程，便可获得一帧电视图像的第二个隔行场。o这种扫描方式的重复频率是每秒3

33、0帧。 二、二、CCDCCD原理原理Compiled by: Dong Chunlio显然，行扫描摄像机只能产生行输入图像。o这类器件适合于物体相对于传感器运动的场合(例如传送带)。o物体沿传感器的垂直方向运动便可形成一幅二维图像。o分辨率在256和2048元素之间的行扫描传感器比较常用。o面阵传感界的分辨率分成低、中、高三种。o低分辨率为256x256 元素，中分辨率为512x512元素。o目前市场上较高分辨率器件的分辨率为1024x1024元素o正在研制的CCD传感器分辨率已达2048X2048元素甚至更高。 。 二、二、CCDCCD原理原理Compiled by: Dong Chunli

34、o图像信号一般是二维信号，o一幅图像通常由512512个像素组成n 也有256256，或10241024个像素o每个像素有256级灰度，n 或者是38bit，o红黄兰16M种颜色，n 一幅图像就有256KB或者768KB（对于彩色）个数据o完成视觉处理的n 传感、预处理、分割、描述、识别和解释。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunli主要完成的数学运算可以归纳为：（1）点处理。（2）二维卷积的运算。（3）二维正交变换。（4）坐标变换。（5）统计量计算。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunli

35、(1)点处理 o用于对比度增强、密度非线性校正、阈值处理、伪彩色处理o每个像素的输入数据经过一定的变换关系映射成像素的输出数据，n例如，对数变换可实现暗区对比度扩张。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunli(2)二维卷积的运算o常用于图像平滑、尖锐化、轮廓增强、空间滤波、标准模板匹配计算等。o若用MxM卷积核矩阵对整幅图像进行卷积时，o要得到每个像素的输出结果就需要作M2次乘法和(M2-1)次加法，o由于图像像素一般很多，即使用较小的卷积和，o也需要进行大量的乘加运算和访问存储器。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled

36、by: Dong Chunli(3)二维正交变换 n常用二维正交变换有FEY、Walsh、Haar和KI变换等，n常用于图像增强、复原、二维滤波、数据压缩等。(4)坐标变换 n常用于图像的放大缩小、旋转、移动、配准、几何校正和由投影值重建图像等 。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunli(5)统计量计算 o如计算密度直方图分布、平均值和协方差矩阵等。o在进行直方图均衡化、面积计算、分类和KL变换时，常常要进行这些统计量计算。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunlio 在视觉信号处理时，要进行

37、上述运算，n 计算机需要大量的运算次数和大量的访问存储器次数o 如果采用一般的计算机进行视频数字信号处理，n 就有很大的限制。o 所以在通用的计算机上处理视觉信号，n 突出有两个局限性：n 一是运算速度慢，二是内存容量小，o 为了解决上述问题，可以采用如下方案：1. 利用大型高速计算机组成通用的视频信号处理系统2. 小型高速阵列机3. 采用专用的视觉处理器三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunli1. 利用大型高速计算机组成通用的视频信号处理系统 n 为了解决小型计算机运算速度慢、存储量小的缺点，n 人们自然会使用大型高速计算机，但缺点是成本太

38、高：2. 小型高速阵列机 n 采用大型计算机的主要问题是没备成本太高，n 为了降低视频信号处理系统的造价，提高设备的利用率，n 有的厂家在设计视频信号处理系统时，n 选用造价低廉的中小型计算机为主机，n 再配备一台高速阵列机。3. 采用专用的视觉处理器 n 为了适应微型计算机视频数字信号处理的需要，n 不少厂家设计厂专用的视觉信号处理器，n 它的结构简单、成本低、性能指标高。n 多数采用多处理器并行处理，n 流水线式体系结构以及基于DSP的方案。三、视频数字信号处理器三、视频数字信号处理器Compiled by: Dong Chunli一、预处理一、预处理二、图像的分离二、图像的分离。第三节第

39、三节 视觉信息的处理视觉信息的处理Compiled by: Dong Chunlio 如何从视觉传感器输出的原始图像中n 得到景物的精确三维集合描述n 和定量地确定景物中物体的特性n 是非常困难的，o 也是目前计算机视觉，或称为图像理解的主要研究课题。o 但是对于完成某一特定的任务所用的机器视觉系统来说，n 则不需要全面地”理解”它所处的环境，n 而只需要抽取为完成该任务所必须的信息。o 视觉信息的处理包括，预处理、分割、特征抽取和识别四个模块。第三节第三节 视觉信息的处理视觉信息的处理Compiled by: Dong Chunlio预处理是视觉处理的第一步，其任务是对输入图像进行加工，消除

40、噪声，改进图像的质量，为以后的处理创造条件。o为了给出物体的属性和位置的描述，必须先将物体从其背景中分离出来，因此对预处理以后的图像首先要进行分割，就是把代表物体的那一部分象素集合抽取出来，o一旦这一区域抽取出来以后，就要检测它的各种特性，包括颜色、纹理，尤其重要的是它的集合形状特性，o这些特性构成了识别某一物体和确定它的位置和方向的基础，物体识别主要基于图像匹配第三节第三节 视觉信息的处理视觉信息的处理Compiled by: Dong Chunlio预处理的主要目的是n清除原始图像中各种噪声等无用的信息，n改进图像的质量，n增强感兴趣的有用信息的可检测性，n从而使后面的分割、特征抽取和识别

41、处理得以简化n并提高其可靠性，o机器视觉常用的预处理包括n去噪、灰度变换和锐化等。一、预处理一、预处理Compiled by: Dong Chunli1.去噪o原始图像中不可避免地会包括许多噪声，n如传感器噪声、量化噪声等。o通常噪声比图像本身包含较强的高频成分，n而且噪声具有空间不相关性，n因此简单的低通滤波是最常用的一种去噪方法。 一、预处理一、预处理Compiled by: Dong Chunli2灰度变换o由于光照等原因，原始图像的对比度往往不理想，o利用各种灰度变换处理可以增强图像的对比度。例如o有时图像亮度的动态范围很小，n 表现为其直方图较窄，n 即灰度等级几种在某一区间内，o这

42、时通过所谓直方图拉伸处理，n 即通过灰度变换将原直方图两端的灰度值分别拉向最小值（0）和最大值（255），n 使图像占有的灰度等级充满（0255）的整个区域，n 从而使图像的层次增多，达到图像细节增强的目的。一、预处理一、预处理Compiled by: Dong Chunli3. 锐化o与平滑处理相反，o为了突出图像中的高频成分，o使轮廓增强可以采用锐化处理，o最简单的办法是采用高通滤波器， 一、预处理一、预处理Compiled by: Dong Chunli1. 图像的边沿检测o边沿检测作为各种物体检测算法的最初预处理步骤，在机器人视觉中具有重要的作用。o从原理上看，绝大多数边沿检测方法的主

43、导思想是局部微分算子的计算。 二、图像的分离二、图像的分离Compiled by: Dong Chunli2. 图像的边沿连接和边界检测o在理想情况下，检测强度不连续性的方法给出的应当只是那些位于物体与背景之间边界处的像素。o实际上，噪声的存在，不均匀照明引起的边界中断n 以及其他因素造成的意外强度不连续性，n 都会使得检测出的像素难以完全表征边界。o因此，在边沿检测算法之后，n 通常要进行连接和用其它边界检测的方法进行处理n 以便使边沿像素形成一个有意义的物体边界。 二、图像的分离二、图像的分离Compiled by: Dong Chunli第四节 数字图像的编码Compiled by: Dong Chunli第四节 数字图像的编码o数字